技術(shù)宅

科技掃盲——認(rèn)識(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是近年來(lái)出現(xiàn)的高新技。從字面理解就是一種通過虛擬設(shè)備模擬出現(xiàn)實(shí)環(huán)境的設(shè)備，它借助電腦、手機(jī)等設(shè)備模擬出一個(gè)立體三維空間，通過對(duì)人的視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶在虛擬世界里感受到一種極度真實(shí)的現(xiàn)實(shí)感。

從視覺效果上來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和我們之前介紹的3D顯示有些類似，但是3D顯示只是模擬出一種3D立體視覺效果，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備則在此基礎(chǔ)上融入了各種交互體驗(yàn)，讓使用者有更加逼真的全方位立體感受。比如根據(jù)試用者的描述，用戶戴上Oculus公司的虛擬頭盔后，它可在一個(gè)房間里模擬出一個(gè)非常真實(shí)的高臺(tái)環(huán)境，用戶雖然是站在房間的平地上，但是根本不敢在這個(gè)虛擬高臺(tái)上往下跳（實(shí)際跳躍只是彎腿并“跳”在平地上），因?yàn)檫@個(gè)模擬的虛擬環(huán)境實(shí)在太真實(shí)了（圖2）。

解密VR——虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備怎么實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)效果

虛擬環(huán)境畢竟還是“虛”的，它是怎么實(shí)現(xiàn)如此逼真的模擬呢？這里以上述虛擬高臺(tái)為例。

首先了解一下虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的組成，一套虛擬設(shè)備主要包括建模設(shè)備、顯示設(shè)備、定位設(shè)備和交互設(shè)備，四種設(shè)備各司其職。其中建模設(shè)備主要用于獲取物體外表面的三維坐標(biāo)及物體的三維數(shù)字化模型，在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中主要通過電腦渲染完成。比如在虛擬現(xiàn)實(shí)游戲中，其中電腦就負(fù)責(zé)建立3D游戲畫面并進(jìn)行渲染，在上述虛擬高臺(tái)例子中，這個(gè)虛擬場(chǎng)景同樣是通過電腦來(lái)建模的（圖3）。

顯示設(shè)備則用于向用戶呈現(xiàn)3D顯示效果，不過為了獲得更好的現(xiàn)實(shí)環(huán)境代入感，現(xiàn)在的虛擬顯示設(shè)備大多集成了顯示設(shè)備，比如Oculus Rift虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡鏡面上方就是一塊1280×800 的LCD（圖4）。

因?yàn)樵陔娔X上顯示3D是左右畫面，因此虛擬顯示設(shè)備中還有一副合成3D畫面的眼鏡，這樣電腦上的虛擬高臺(tái)同步傳輸?shù)教摂M頭盔的LCD上后，用戶看到的就是一幅真實(shí)的高臺(tái)場(chǎng)景。

定位設(shè)備則用于用戶確定虛擬3D環(huán)境中的位置，在3D環(huán)境中每個(gè)物體相對(duì)于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個(gè)位置與姿態(tài)，我們看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來(lái)確定的。因此在虛擬顯示設(shè)備中，定位是通過頭盔中慣性傳感器來(lái)捕捉頭部運(yùn)動(dòng)以改變圖像的視角，這樣用戶的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來(lái)，感覺更逼真（圖5）。

在虛擬高臺(tái)例子中，用戶通過移動(dòng)腳步和頭部，慣性追蹤器就會(huì)追蹤到這些變化，并在3D場(chǎng)景中實(shí)時(shí)改變場(chǎng)景，讓用戶有更為真實(shí)的環(huán)境代入感。

交互設(shè)備則用于用戶和虛擬環(huán)境的交互操作，在虛擬高臺(tái)例子中，如果高臺(tái)上有扶手，當(dāng)系統(tǒng)追蹤到用戶的手是放在扶手位置時(shí)，設(shè)備就可以給用戶一個(gè)真實(shí)的反饋。在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中，物體觸摸反饋通過傳感器完成，常見的設(shè)備如數(shù)據(jù)手套，在這種手套中設(shè)有各種傳感器，可以將虛擬中的觸摸轉(zhuǎn)換為真實(shí)的體驗(yàn)（圖6）。

通過電腦建模生成虛擬3D場(chǎng)景→同步顯示到虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備并通過3D眼鏡展示在用戶眼前→慣性傳感器捕捉用戶位置變化，同步調(diào)整虛擬場(chǎng)景→使用數(shù)據(jù)手套反饋用戶觸摸。這樣用戶就可以感知到一個(gè)真實(shí)的虛擬場(chǎng)景，并獲得和現(xiàn)實(shí)生活中一樣的體驗(yàn)。

廉價(jià)版虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備

——谷歌Cardboard

通過上述介紹可以知道，一套虛擬設(shè)備構(gòu)造較為復(fù)雜，而且涉及到顯示、追蹤、定位、反饋等多個(gè)環(huán)節(jié)，因此設(shè)備的造價(jià)也比較昂貴。為此，谷歌另辟蹊徑推出廉價(jià)版的Cardboard，它的主要材料是再生紙板盒，但是卻可以將智能手機(jī)變成一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的原型設(shè)備。它的原理也很簡(jiǎn)單，主要就是通過光學(xué)結(jié)構(gòu)造成虛擬距離。在手機(jī)上安裝相應(yīng)的應(yīng)用后，它會(huì)將手機(jī)畫面預(yù)扭曲，接著再通過Cardboard里的凸透鏡恢復(fù)變形，從而產(chǎn)生了虛擬焦距，讓手機(jī)畫面呈現(xiàn)立體顯示（圖7）。

虛擬現(xiàn)實(shí)帶給我們什么

顯然虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的普及可以給我們的生活帶來(lái)極大的影響，比如在射擊游戲中，我們可以帶著虛擬頭盔，手握虛擬AK47，然后在完全真實(shí)的游戲環(huán)境中，或射擊，或躲閃，或躍起進(jìn)攻，這種真實(shí)的游戲感覺絕對(duì)是每個(gè)游戲迷追求的終極目標(biāo)。

同樣的在生活中，也可以用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備來(lái)為自己的新家做設(shè)計(jì)，比如你可以按自己的意愿在電腦上設(shè)計(jì)好新家的裝修，然后戴上虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備在其中漫步，看看哪里的設(shè)計(jì)有瑕疵。而在駕考的培訓(xùn)中，你則可以戴上虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備在“真實(shí)”公路上駕駛。

不過，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備也并非完美無(wú)瑕，首先由于技術(shù)的限制，目前設(shè)備顯示效果、實(shí)時(shí)追蹤定位、觸控反饋體驗(yàn)都還不足。其次，虛擬3D效果由于人體生理結(jié)構(gòu)的限制，長(zhǎng)時(shí)間使用后大部分人還是會(huì)產(chǎn)生眩暈現(xiàn)象，這一切尚有待改進(jìn)。

科技掃盲——認(rèn)識(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是近年來(lái)出現(xiàn)的高新技。從字面理解就是一種通過虛擬設(shè)備模擬出現(xiàn)實(shí)環(huán)境的設(shè)備，它借助電腦、手機(jī)等設(shè)備模擬出一個(gè)立體三維空間，通過對(duì)人的視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶在虛擬世界里感受到一種極度真實(shí)的現(xiàn)實(shí)感。

從視覺效果上來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和我們之前介紹的3D顯示有些類似，但是3D顯示只是模擬出一種3D立體視覺效果，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備則在此基礎(chǔ)上融入了各種交互體驗(yàn)，讓使用者有更加逼真的全方位立體感受。比如根據(jù)試用者的描述，用戶戴上Oculus公司的虛擬頭盔后，它可在一個(gè)房間里模擬出一個(gè)非常真實(shí)的高臺(tái)環(huán)境，用戶雖然是站在房間的平地上，但是根本不敢在這個(gè)虛擬高臺(tái)上往下跳（實(shí)際跳躍只是彎腿并“跳”在平地上），因?yàn)檫@個(gè)模擬的虛擬環(huán)境實(shí)在太真實(shí)了（圖2）。

解密VR——虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備怎么實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)效果

虛擬環(huán)境畢竟還是“虛”的，它是怎么實(shí)現(xiàn)如此逼真的模擬呢？這里以上述虛擬高臺(tái)為例。

首先了解一下虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的組成，一套虛擬設(shè)備主要包括建模設(shè)備、顯示設(shè)備、定位設(shè)備和交互設(shè)備，四種設(shè)備各司其職。其中建模設(shè)備主要用于獲取物體外表面的三維坐標(biāo)及物體的三維數(shù)字化模型，在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中主要通過電腦渲染完成。比如在虛擬現(xiàn)實(shí)游戲中，其中電腦就負(fù)責(zé)建立3D游戲畫面并進(jìn)行渲染，在上述虛擬高臺(tái)例子中，這個(gè)虛擬場(chǎng)景同樣是通過電腦來(lái)建模的（圖3）。

顯示設(shè)備則用于向用戶呈現(xiàn)3D顯示效果，不過為了獲得更好的現(xiàn)實(shí)環(huán)境代入感，現(xiàn)在的虛擬顯示設(shè)備大多集成了顯示設(shè)備，比如Oculus Rift虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡鏡面上方就是一塊1280×800 的LCD（圖4）。

因?yàn)樵陔娔X上顯示3D是左右畫面，因此虛擬顯示設(shè)備中還有一副合成3D畫面的眼鏡，這樣電腦上的虛擬高臺(tái)同步傳輸?shù)教摂M頭盔的LCD上后，用戶看到的就是一幅真實(shí)的高臺(tái)場(chǎng)景。

定位設(shè)備則用于用戶確定虛擬3D環(huán)境中的位置，在3D環(huán)境中每個(gè)物體相對(duì)于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個(gè)位置與姿態(tài)，我們看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來(lái)確定的。因此在虛擬顯示設(shè)備中，定位是通過頭盔中慣性傳感器來(lái)捕捉頭部運(yùn)動(dòng)以改變圖像的視角，這樣用戶的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來(lái)，感覺更逼真（圖5）。

在虛擬高臺(tái)例子中，用戶通過移動(dòng)腳步和頭部，慣性追蹤器就會(huì)追蹤到這些變化，并在3D場(chǎng)景中實(shí)時(shí)改變場(chǎng)景，讓用戶有更為真實(shí)的環(huán)境代入感。

交互設(shè)備則用于用戶和虛擬環(huán)境的交互操作，在虛擬高臺(tái)例子中，如果高臺(tái)上有扶手，當(dāng)系統(tǒng)追蹤到用戶的手是放在扶手位置時(shí)，設(shè)備就可以給用戶一個(gè)真實(shí)的反饋。在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中，物體觸摸反饋通過傳感器完成，常見的設(shè)備如數(shù)據(jù)手套，在這種手套中設(shè)有各種傳感器，可以將虛擬中的觸摸轉(zhuǎn)換為真實(shí)的體驗(yàn)（圖6）。

通過電腦建模生成虛擬3D場(chǎng)景→同步顯示到虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備并通過3D眼鏡展示在用戶眼前→慣性傳感器捕捉用戶位置變化，同步調(diào)整虛擬場(chǎng)景→使用數(shù)據(jù)手套反饋用戶觸摸。這樣用戶就可以感知到一個(gè)真實(shí)的虛擬場(chǎng)景，并獲得和現(xiàn)實(shí)生活中一樣的體驗(yàn)。

廉價(jià)版虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備

——谷歌Cardboard

通過上述介紹可以知道，一套虛擬設(shè)備構(gòu)造較為復(fù)雜，而且涉及到顯示、追蹤、定位、反饋等多個(gè)環(huán)節(jié)，因此設(shè)備的造價(jià)也比較昂貴。為此，谷歌另辟蹊徑推出廉價(jià)版的Cardboard，它的主要材料是再生紙板盒，但是卻可以將智能手機(jī)變成一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的原型設(shè)備。它的原理也很簡(jiǎn)單，主要就是通過光學(xué)結(jié)構(gòu)造成虛擬距離。在手機(jī)上安裝相應(yīng)的應(yīng)用后，它會(huì)將手機(jī)畫面預(yù)扭曲，接著再通過Cardboard里的凸透鏡恢復(fù)變形，從而產(chǎn)生了虛擬焦距，讓手機(jī)畫面呈現(xiàn)立體顯示（圖7）。

虛擬現(xiàn)實(shí)帶給我們什么

顯然虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的普及可以給我們的生活帶來(lái)極大的影響，比如在射擊游戲中，我們可以帶著虛擬頭盔，手握虛擬AK47，然后在完全真實(shí)的游戲環(huán)境中，或射擊，或躲閃，或躍起進(jìn)攻，這種真實(shí)的游戲感覺絕對(duì)是每個(gè)游戲迷追求的終極目標(biāo)。

同樣的在生活中，也可以用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備來(lái)為自己的新家做設(shè)計(jì)，比如你可以按自己的意愿在電腦上設(shè)計(jì)好新家的裝修，然后戴上虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備在其中漫步，看看哪里的設(shè)計(jì)有瑕疵。而在駕考的培訓(xùn)中，你則可以戴上虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備在“真實(shí)”公路上駕駛。

不過，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備也并非完美無(wú)瑕，首先由于技術(shù)的限制，目前設(shè)備顯示效果、實(shí)時(shí)追蹤定位、觸控反饋體驗(yàn)都還不足。其次，虛擬3D效果由于人體生理結(jié)構(gòu)的限制，長(zhǎng)時(shí)間使用后大部分人還是會(huì)產(chǎn)生眩暈現(xiàn)象，這一切尚有待改進(jìn)。

科技掃盲——認(rèn)識(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是近年來(lái)出現(xiàn)的高新技。從字面理解就是一種通過虛擬設(shè)備模擬出現(xiàn)實(shí)環(huán)境的設(shè)備，它借助電腦、手機(jī)等設(shè)備模擬出一個(gè)立體三維空間，通過對(duì)人的視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶在虛擬世界里感受到一種極度真實(shí)的現(xiàn)實(shí)感。

從視覺效果上來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和我們之前介紹的3D顯示有些類似，但是3D顯示只是模擬出一種3D立體視覺效果，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備則在此基礎(chǔ)上融入了各種交互體驗(yàn)，讓使用者有更加逼真的全方位立體感受。比如根據(jù)試用者的描述，用戶戴上Oculus公司的虛擬頭盔后，它可在一個(gè)房間里模擬出一個(gè)非常真實(shí)的高臺(tái)環(huán)境，用戶雖然是站在房間的平地上，但是根本不敢在這個(gè)虛擬高臺(tái)上往下跳（實(shí)際跳躍只是彎腿并“跳”在平地上），因?yàn)檫@個(gè)模擬的虛擬環(huán)境實(shí)在太真實(shí)了（圖2）。

解密VR——虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備怎么實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)效果

虛擬環(huán)境畢竟還是“虛”的，它是怎么實(shí)現(xiàn)如此逼真的模擬呢？這里以上述虛擬高臺(tái)為例。

首先了解一下虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的組成，一套虛擬設(shè)備主要包括建模設(shè)備、顯示設(shè)備、定位設(shè)備和交互設(shè)備，四種設(shè)備各司其職。其中建模設(shè)備主要用于獲取物體外表面的三維坐標(biāo)及物體的三維數(shù)字化模型，在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中主要通過電腦渲染完成。比如在虛擬現(xiàn)實(shí)游戲中，其中電腦就負(fù)責(zé)建立3D游戲畫面并進(jìn)行渲染，在上述虛擬高臺(tái)例子中，這個(gè)虛擬場(chǎng)景同樣是通過電腦來(lái)建模的（圖3）。

顯示設(shè)備則用于向用戶呈現(xiàn)3D顯示效果，不過為了獲得更好的現(xiàn)實(shí)環(huán)境代入感，現(xiàn)在的虛擬顯示設(shè)備大多集成了顯示設(shè)備，比如Oculus Rift虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡鏡面上方就是一塊1280×800 的LCD（圖4）。

因?yàn)樵陔娔X上顯示3D是左右畫面，因此虛擬顯示設(shè)備中還有一副合成3D畫面的眼鏡，這樣電腦上的虛擬高臺(tái)同步傳輸?shù)教摂M頭盔的LCD上后，用戶看到的就是一幅真實(shí)的高臺(tái)場(chǎng)景。

定位設(shè)備則用于用戶確定虛擬3D環(huán)境中的位置，在3D環(huán)境中每個(gè)物體相對(duì)于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個(gè)位置與姿態(tài)，我們看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來(lái)確定的。因此在虛擬顯示設(shè)備中，定位是通過頭盔中慣性傳感器來(lái)捕捉頭部運(yùn)動(dòng)以改變圖像的視角，這樣用戶的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來(lái)，感覺更逼真（圖5）。

在虛擬高臺(tái)例子中，用戶通過移動(dòng)腳步和頭部，慣性追蹤器就會(huì)追蹤到這些變化，并在3D場(chǎng)景中實(shí)時(shí)改變場(chǎng)景，讓用戶有更為真實(shí)的環(huán)境代入感。

交互設(shè)備則用于用戶和虛擬環(huán)境的交互操作，在虛擬高臺(tái)例子中，如果高臺(tái)上有扶手，當(dāng)系統(tǒng)追蹤到用戶的手是放在扶手位置時(shí)，設(shè)備就可以給用戶一個(gè)真實(shí)的反饋。在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中，物體觸摸反饋通過傳感器完成，常見的設(shè)備如數(shù)據(jù)手套，在這種手套中設(shè)有各種傳感器，可以將虛擬中的觸摸轉(zhuǎn)換為真實(shí)的體驗(yàn)（圖6）。

通過電腦建模生成虛擬3D場(chǎng)景→同步顯示到虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備并通過3D眼鏡展示在用戶眼前→慣性傳感器捕捉用戶位置變化，同步調(diào)整虛擬場(chǎng)景→使用數(shù)據(jù)手套反饋用戶觸摸。這樣用戶就可以感知到一個(gè)真實(shí)的虛擬場(chǎng)景，并獲得和現(xiàn)實(shí)生活中一樣的體驗(yàn)。

廉價(jià)版虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備

——谷歌Cardboard

通過上述介紹可以知道，一套虛擬設(shè)備構(gòu)造較為復(fù)雜，而且涉及到顯示、追蹤、定位、反饋等多個(gè)環(huán)節(jié)，因此設(shè)備的造價(jià)也比較昂貴。為此，谷歌另辟蹊徑推出廉價(jià)版的Cardboard，它的主要材料是再生紙板盒，但是卻可以將智能手機(jī)變成一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的原型設(shè)備。它的原理也很簡(jiǎn)單，主要就是通過光學(xué)結(jié)構(gòu)造成虛擬距離。在手機(jī)上安裝相應(yīng)的應(yīng)用后，它會(huì)將手機(jī)畫面預(yù)扭曲，接著再通過Cardboard里的凸透鏡恢復(fù)變形，從而產(chǎn)生了虛擬焦距，讓手機(jī)畫面呈現(xiàn)立體顯示（圖7）。

虛擬現(xiàn)實(shí)帶給我們什么

顯然虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的普及可以給我們的生活帶來(lái)極大的影響，比如在射擊游戲中，我們可以帶著虛擬頭盔，手握虛擬AK47，然后在完全真實(shí)的游戲環(huán)境中，或射擊，或躲閃，或躍起進(jìn)攻，這種真實(shí)的游戲感覺絕對(duì)是每個(gè)游戲迷追求的終極目標(biāo)。

同樣的在生活中，也可以用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備來(lái)為自己的新家做設(shè)計(jì)，比如你可以按自己的意愿在電腦上設(shè)計(jì)好新家的裝修，然后戴上虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備在其中漫步，看看哪里的設(shè)計(jì)有瑕疵。而在駕考的培訓(xùn)中，你則可以戴上虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備在“真實(shí)”公路上駕駛。

不過，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備也并非完美無(wú)瑕，首先由于技術(shù)的限制，目前設(shè)備顯示效果、實(shí)時(shí)追蹤定位、觸控反饋體驗(yàn)都還不足。其次，虛擬3D效果由于人體生理結(jié)構(gòu)的限制，長(zhǎng)時(shí)間使用后大部分人還是會(huì)產(chǎn)生眩暈現(xiàn)象，這一切尚有待改進(jìn)。